特大跨黃土隧道設計施工技術要點探討

陳海軍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 陜西 西安 710043)

0 引言

近年來，在國家大力發展高速鐵路的背景下，出現了很多大斷面黃土隧道工程，比如鄭西高鐵、西延高鐵、蘭新高鐵、大西高鐵和銀西高鐵等。雖然習慣上統稱為黃土隧道，但由于各工程所處地域地層、含水、埋深以及外部環境等因素的不同，其面臨的設計、施工側重點及技術要點也各不相同。在相關的文獻中，趙東平等[1]研究了大斷面黃土隧道變形規律及預留變形量的取值范圍； 李國良[2]提出可按不同含水量確定大斷面黃土隧道施工方法的技術體系； 周燁等[3]研究了濕陷性黃土隧道三臺階施工時間應變規律； 石磊等[4]對大斷面黃土隧道施工工法進行了對比分析，并提出了選擇原則； 楊建民[5]對雙側壁法、CRD法、臺階法等3種黃土隧道常用工法進行了理論分析，并總結了各自的優缺點； 馮敏等[6]論述了普通斷面黃土隧道下穿民居的施工方案； 李健等[7]對淺埋大跨黃土隧道施工方面的優化進行了研究。雖然以上研究均可以為大斷面黃土隧道設計施工提供參考，但由于黃土及黃土隧道自身的特殊性，大斷面和特大斷面黃土隧道的設計施工仍舊是廣大工程技術人員重點關注的技術問題，需要不斷地探索研究。

TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》[8]根據開挖跨度，把隧道分為4類，分別為小跨度、中等跨度、大跨度和特大跨度，對應的開挖跨度分別為5～8.5 m、8.5～12 m、12～14 m以及14 m以上。本文主要探討開挖跨度超過14 m即特大跨度黃土隧道設計施工過程中的技術要點及解決思路。

1 黃土特性及分布

我國的黃土是第四紀干旱、半干旱氣候條件下形成的一種特殊土，基本色調為黃色，顆粒成分以粉粒為主，一般無明顯層理，垂直節理發育，直立性強，表層多具濕陷性，易形成陷穴。主要分布在西北和華北等地，其特點為分布廣、厚度大、地層層序比較完整。

根據地質年代，黃土大體上可分為老黃土和新黃土2個大組。 老黃土(Q1、Q2)結構多經壓密，一般不具有濕陷性，土的承載力較高，主要分布在陜甘黃土高原，覆蓋在第三紀紅土層或基巖上； 新黃土(Q3、Q4)廣泛覆蓋在老黃土之上，質地均勻，具有多孔性，有肉眼能看到的大孔隙，呈松散結構狀態，密度低，在北方各地分布很廣，一般都具有濕陷性[9]。幾種典型黃土的物理力學參數見表1。

表1 幾種典型黃土的物理力學參數

2 黃土隧道的特點

1)我國黃土隧道大多數分布于黃土臺塬地區，即隧道頂部較為平坦，通常為村莊或農田，建(構)筑物多，且人畜活動頻繁。

2)由于黃土地區植被稀少，水土流失嚴重，隧道洞口大多溝深坡陡，滑坡、崩塌等不良地質發育，洞口選擇困難，如圖1所示。

圖1 黃土隧道典型地貌照片

3)黃土隧道埋深較淺或穿越溝谷地段，通常地表陷穴發育，規模大的陷穴甚至和洞身上下貫通，并在橫、豎向呈不規律發展。

4)黃土隧道垂直節理發育，變形主要以拱頂下沉為主，正常情況拱頂下沉大于水平收斂，且含水量對沉降變形影響大，需盡量控制地表水的下滲。

5)濕陷性是黃土隧道的特點，特別是淺埋、洞身位于新黃土中的隧道。

6)施工進度慢。與其他隧道相比，黃土隧道具有圍巖強度低、變形量大、自穩能力差的特點。隨著隧道開挖跨度的加大，尤其是大跨、特大跨隧道，其施工難度急劇增加。

3 設計施工技術要點

3.1 洞口高邊坡防護

某鐵路黃土隧道洞口位于臺塬陡壁上，由于受線位控制，洞口與陡壁斜交，邊坡高陡，偏壓嚴重，最大高度近80 m，表層約15 m為Q3新黃土，其下為Q2老黃土。為使隧道順利進洞并確保后期運營安全，設計初期主要考慮了2種方案。

3.1.1 方案1： 明洞暗作，回填反壓

“早進晚出，盡量降低刷坡高度”是隧道洞口設計的基本原則，該方案主要思路為： 1)為降低邊坡刷坡高度，洞口盡量外拉，接長明洞。2)左側洞頂漏空部分先采用水泥土回填反壓，并鋪設地表黏土隔水層。3)待回填水泥土達到強度后，按暗挖法，采用雙側壁導坑法施工進洞。

3.1.2 方案2： 明洞明作，高大刷坡

該方案的主要思路是采用“穩定坡高刷方+強擋護收腳+邊坡綠化”的復合式措施，避免回填土暗作部分成拱的工程風險，具體措施如下： 1)在洞口右側設置樁板墻工程，樁長34 m，樁身采用C30鋼筋混凝土。2)樁頂以下15 m范圍樁間設C30鋼筋混凝土擋土板，板長2.4 m，厚0.3 m。3)樁頂設平臺，以上邊坡每10 m一級，共8級，坡率均為1∶1，每2級間設5 m平臺，邊、仰坡采用扇形過渡刷坡。4)明洞段邊、仰坡采用混凝土拱形骨架護坡防護，骨架內種草兼植灌木。

3.1.3 方案比選

2種方案優缺點比較見表2。結合現場情況，該工程最終推薦采用“明洞明作，高大刷坡”方案，目前該線已經運營，效果良好，現場照片見圖2。

表2 2方案優缺點比較

圖2 隧道口高邊坡防護照片

考慮黃土的特性，對偏壓嚴重、坡度高陡的隧道洞口選擇進洞方案時，可靈活掌握，當暗挖進洞困難、可能存在安全風險時，明挖方案也不失為一種解決辦法。明挖方案更有利于接長明洞，對預防洞頂落物的能力更強，加上目前對黃土邊坡防護技術[10-12]的研究較系統，防護方案也成熟，能夠保證運營期洞口工程的安全。

3.2 三臺階七步法快速施工

黃土作為一種特殊的圍巖，其最主要特點是直立性好、易成型。直立性好使得開挖后掌子面不易擠出；易成型的特點使得在進尺短的條件下，能提供一段圍巖穩定的時間來施作初期支護，從而確保安全。所以，埋深較大的黃土隧道比較適合采用臺階法施工，針對特大跨黃土隧道，三臺階七步法應用廣泛，特別是在含水量小于17%的Q2老黃土地層中，該工法已經成為主流的施工工法，并有相關的行業標準進行指導，現場三臺階七步法施工照片見圖3。

三臺階七步法分部較多，平行作業，掌子面作業人員多，各道工序相互影響較大。要實現快速掘進，有2種方法，一種是加大每循環進尺，另一種是進尺不變，加快循環頻率。一般認為，加大每循環的進尺，減少循環次數，可以提高施工進度。在人力及機械設備等資源配置相同的情況下，經過施工單位實際操作驗證，正常情況下每循環開挖支護1榀及每循環開挖支護2榀循環時間見圖4和圖5，可見每循環開挖支護1榀鋼架的施工綜合效率反而更高，速度更快，同時短進尺更有利于施工安全。

圖3 三臺階七步法施工照片

實踐證明，在施工過程中通過不斷優化工序間銜接，每循環開挖支護1榀鋼架，縮短循環時間，每天可施工4～5個循環，能夠實現月進尺突破100 m、綜合成洞突破100 m的快速掘進，并長時間保持。

3.3 長段落下穿村莊沉降控制

某隧道下穿黃土臺塬，最大埋深不足72 m，洞頂為既有村莊和大量農田，洞身有5處大段落(見表3)下穿村莊，穿越地層主要為Q2黏質黃土，對沉降控制要求高。

3.3.1 房屋沉降標準

房屋典型照片見圖6。根據房屋現狀并參照有關規范規定，洞頂房屋沉降控制值定為20 mm，房屋傾斜按不大于0.2%控制。

超前地質預報時間為攤銷時間。

圖4三臺階七步法每次施工1榀鋼架循環時間示意圖

Fig. 4 Cycling schedule of three-bench seven-step excavation method with one steel frame for every footage

超前地質預報時間為攤銷時間。

圖5 三臺階七步法每次施工2榀鋼架循環時間示意圖

圖6 地表典型房屋照片

3.3.2 沉降控制措施

1)加強超前支護。洞內增設15 m長φ89 mm中管棚配合4 m長φ42 mm小導管超前預支護，兩者間隔設置。

2)采用CRD工法(見圖7)開挖，盡量減小對圍巖的擾動，降低對地表的影響。

圖7 CRD工法示意圖

3)合理選定開挖進尺，及時封閉仰拱。開挖進尺的大小對隧道沉降影響很大，以1榀鋼架為宜，且隨挖隨支； 仰拱的封閉距離應控制在35 m以內[13]。

4)重視鋼架的鎖腳工作。在仰拱封閉之前，鎖腳錨桿是控制初期支護沉降的關鍵，黃土地層宜采用直徑42 mm的鋼管鎖腳，長度不小于4 m，沿下傾角30°設置，并與鋼架焊接牢固。

5)加強洞內監控量測工作，加大監測頻率，及時對監測數據進行分析，并反饋給施工，以調整施工進尺及支護參數。

6)加強對地表建(構)筑物的監測，特別是有人居住的房屋，及時準確掌握相關數據，以便及時對隱患進行處理。隧道洞身建筑物影響范圍內的地表沉降測點應在隧道開挖前布設，隧道中線兩側量測范圍不小于H0+B(H0為隧道埋深，B為隧道開挖寬度),測點縱向間距為20～30 m，橫向間距為2～5 m。

采取上述一系列措施后，沉降時程曲線如圖8和圖9所示。可知： 洞內最大沉降量為12 cm，沒有超過設計預留變形量。地表房屋最大沉降量為17.6 mm，在控制值范圍內，效果良好，說明采取分部開挖、加強超前支護、減小開挖進尺、及時封閉仰拱等措施控制黃土隧道的沉降是可行的。

圖8 拱頂沉降曲線圖(2013年)

圖9 地表房屋沉降曲線圖(2013年)

3.4 陷穴處理

黃土陷穴在黃土地區非常普遍，見圖10。黃土特性、黃土厚度及其空間組合為黃土陷穴的物質基礎，是形成黃土陷穴的內因。地形地貌以及水文地質和氣候等因素是形成黃土陷穴必不可少的外部因素[14]。只要有水，就能形成各種規模的黃土陷穴，且形式眾多。故需針對不同規模、不同形式的陷穴制定不同的處理措施，根據埋深結合破裂角，陷穴處理為隧道中線兩側各30 m為宜： 1)對直徑小于2 m、洞身較直的陷穴，采用灌砂填筑，中間采用黃土分層回填，頂部50 cm采用三七灰土回填，并高出地面30 cm，理順地面排水系統。2)位于線路上方、直徑大于2 m、洞身曲折、起伏較大的陷穴，底部采用水、黏土和沙子配成泥漿后多次分層灌注，中間部位采用黃土分層填筑，頂部50 cm采用三七灰土回填。3)對于陷穴、暗穴相連的類似串珠狀的陷穴群，應先找到陷穴的源頭，由洞內向洞外逐步回填密實，也可以把貫通的暗穴挖開，然后一起分層夯實回填。

圖10 陷穴近觀照片

對于已經存在的黃土陷穴，目前主要的辦法就是回填，只是回填材料和回填質量有所不同。對于施工完畢的隧道，如何避免洞頂形成新的陷穴或者老陷穴重現，是工程設計和施工人員需要重點關注的問題。

3.5 地表裂縫處理

地表裂縫是淺埋黃土隧道的通病，在鄭西線、包西線、大西線黃土隧道的施工中均出現過。采用分部開挖法可降低其發生的概率和程度，但不易避免。其特點是裂縫隨著開挖面的推進而推進，大致呈環、縱向，主要出現在淺埋段和偏壓段。淺埋段的地表裂縫通常呈左右對稱性，有時環縱向呈貫通狀； 偏壓段的地表裂縫常出現在高側，低側有時也會出現。裂縫照片見圖11。地表裂縫控制應從2方面進行考慮，首先，需要從洞內施工工序、支護強度、工法應用等方面控制拱頂沉降，避免地表開裂。其次，對地表已經出現的裂縫應及時進行回填、處理，防止地表水下滲影響結構安全。

圖11 黃土隧道地表裂縫照片

3.5.1 與地表裂縫有關的因素

1)洞內拱頂沉降。洞內拱頂下沉嚴重的地段，地表開裂也嚴重，兩者相互對應。

2)含水率。地層含水較大時地表沉降或開裂較為突出，含水率高，地層自穩性差，沉降就大，裂縫發展嚴重。

3)地表降水。根據現場施工經驗，雨水對隧道地表沉降有直接關系，會造成地表覆土自重加大，加速沉降開裂。

3.5.2 地表裂縫對結構的影響

1)地表裂縫在發展期通常與隧道結構呈隱形貫通，導致洞頂圍巖自成拱效應變差，增加了結構頂的豎向荷載。

2)地表裂縫可加速地表水的下滲，引起表層新黃土濕陷的同時，加大了土體自重，對結構受力不利。

3.5.3 對裂縫產生的控制

結合裂縫產生的有關因素，制定針對性的控制措施。具體措施與“3.3.2沉降控制措施”基本相似，不再一一論述。

3.5.4 對裂縫產生后的處理

待二次襯砌施工完成并達到強度后，對地表已經出現的裂縫進行處理，具體如下。

1)一般縱向裂縫(寬度小于10 cm)。首先采用三七灰土由人工對裂縫進行填塞，同時進行搗實； 填塞至距地表40 cm時，中騎裂縫人工或小型機械挖槽，開挖斷面呈倒梯形狀，上底寬60 cm，下底寬40 cm，高50 cm，然后采用三七灰土回填，碾壓密實，并略高于原地表，如圖12所示。

圖12 一般裂縫回填示意圖(單位： cm)

2)已沖刷擴大的裂縫(寬度大于10 cm)。對于該類裂縫，先用水、黏土和沙子配制而成的泥漿進行分層灌注，中間部位采用三七灰土隔層回填，層厚可根據現場施工情況確定。施工至距原地面60 cm時，采用人工或小型機械挖槽，挖槽寬度應完全包括坑洞，并四周外擴20 cm，然后采用三七灰土回填，碾壓密實，并略高于地表，如圖13所示。

圖13 裂縫沖刷后回填示意圖(單位： cm)

3)局部地表下沉(沉降槽)。如果地表出現沉降槽，應結合地表附著物情況，避開雨季，集中處理。首先采用人工或小型機械把地表熟土收集堆放； 然后采用黃土回填下沉部分并碾壓； 最后再把堆放熟土原樣平攤，恢復原地形，并略高于原地面，橫向坡度可按 1∶100控制。

根據王明年等[15]的研究成果，大斷面黃土隧道深淺埋分界深度為40～60 m，其中新黃土隧道分界深度可取上限55～60 m，老黃土分界深度可取下限40～50 m，對于洞口段或淺埋溝谷段埋深小于11 m的隧道定為超淺埋。由于黃土隧道普遍埋深不大，地表開裂的情況時有發生，故重視對裂縫防范的同時，也要重視對裂縫的處理。

4 結論與建議

1)鑒于黃土邊坡的防護技術比較成熟，對于黃土隧道的進洞方案，可根據實際情況靈活掌握，當“零刷方進洞”存在風險時，也可選擇高刷方進洞，而且更有利于接長明洞預防洞頂落物，保證運營安全。

2)特大跨黃土隧道三臺階七步法快速掘進，不宜一味追求循環進尺，通過現場試驗、優化施工組織，加強工序銜接，實現短進尺、快循環才是關鍵。對其他地質復雜的特大斷面軟巖隧道施工同樣也具有參考價值。

3)通過采取分部開挖、加強超前支護、減小開挖進尺、及時封閉仰拱等措施控制特大跨黃土黃土隧道的沉降是可行的。今后類似地層穿越建(構)筑物修建隧道時，建議借鑒。

4)對于洞身范圍已經形成的黃土陷穴，要及時回填，且要保證回填質量。如何避免既有隧道洞頂形成新的陷穴或者老陷穴的重現，是下一步需要重點研究解決的問題。

5)淺埋特大跨黃土隧道地表出現裂縫雖然不易避免，但可以通過洞內措施來控制。對于已經出現的裂縫，需要及時回填處理，避免地表水下滲。

[1] 趙東平， 喻渝， 王明年， 等．大斷面黃土隧道變形規律及預留變形量研究[J]． 現代隧道技術， 2009, 46(6)： 64．

ZHAO Dongping,YU Yu,WANG Mingnian,et al．Study of the deformation regularity and preset deformations for large section tunnels in loess[J]．Modern Tunnelling Technology, 2009, 46(6)： 64．

[2] 李國良． 高速鐵路大斷面黃土隧道臺階法修建技術[J]．現代隧道技術， 2016, 53(5)： 6．

LI Guoliang．Constrution techniques for large-section loess tunnels of high-speed railways by bench method[J]．Modern Tunnelling Technology , 2016, 53(5)： 6．

[3] 周燁， 劉仲仁， 劉興平， 等． 濕陷性黃土隧道三臺階法施工時間應變規律[J]． 隧道建設， 2010, 30(2): 128．

ZHOU Ye, LIU Zhongren, LIU Xingping, et al．Rule of time-dependent stress of tunnels in wet subsidence loess constructed by 3-bench excavation method[J]．Tunnel Construction, 2010, 30(2): 128．

[4] 石磊， 侯小軍， 武進廣． 大斷面黃土隧道施工工法研究[J]． 隧道建設， 2013, 33(3): 173．

SHI Lei, HOU Xiaojun, WU Jinguang．Research on construction methods for large cross-section loess tunnels[J]．Tunnel Construction, 2013, 33(3): 173．

[5] 楊建民． 大斷面黃土隧道施工方法分析[J]． 鐵道工程學報， 2015(10): 86．

YANG Jianmin．Analysis of large cross section loess tunnel construction method[J]．Journal of Railway Engineering Society, 2015(10): 86．

[6] 馮敏， 孫韶峰， 林安寧， 等． 淺埋濕陷性黃土隧道下穿民居施工技術[J]． 隧道建設， 2010, 30(2): 212．

FENG Min, SUN Shaofeng, LIN Anning, et al． Construction technology for shallow-buried wet-subsidence loess tunnel running underneath residential area[J]．Tunnel Construction, 2010, 30(2): 212．

[7] 李健， 譚忠盛， 喻渝， 等． 下穿高速公路淺埋大跨度黃土隧道施工措施研究[J]． 巖土力學， 2011, 32(9)： 2803．

LI Jian,TAN Zhongsheng,YU Yu,et al．Research on construction procedure for shallow large-span tunnel undercrossing highway[J]． Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(9)： 2803．

[8] 鐵路隧道設計規范: TB 10003—2016[S]． 北京： 中國鐵道出版社， 2016．

Code for design of railway tunnel：TB 10003—2016 [S]．Beijing： China Railway Publishing House， 2016．

[9] 李國良． 大跨黃土隧道設計與安全施工對策[J] ． 現代隧道技術， 2008, 45(1)： 53．

LI Guoliang． Design and safety construction measures for large-span loess tunnels[J]． Modern Tunnelling Technology, 2008, 45(1)： 53．

[10] 張亮． 陜甘地區公路黃土高邊坡防護技術研究[D]． 西安： 長安大學， 2012．

ZHANG Liang．Reaseach on protection technology of highway loess slope in Shaanxi-Gansu reginal[D]． Xi′an: Chang′an University, 2012．

[11] 葉彩娟． 包頭至西安鐵路柳樹店明洞邊坡樁板墻加固工程設計[J]． 鐵路標準設計， 2012(6): 11．

YE Caijuan．Design for strengthening of side slope with sheet pile wall at Liushudian Opencut Tunnel in Baotou-Xi′an Railway[J]．Railway Standard Design, 2012(6): 11．

[12] 焦力， 李坤陽． 黃延公路黃土路塹高邊坡結構特征及其設計方法研究[J]． 水利與建筑工程學報， 2010, 8(2): 136．

JIAO Li, LI Kunyang． Study of geological structure of high loess slope in Huangling-Yan′an Expressway and its design method[J]．Journal of Water Resources and Architectural Engineering, 2010, 8(2): 136．

[13] 席浩， 李緒干， 時堅， 等． 寶蘭鐵路蘇家川大斷面黃土隧道三臺階施工變形控制技術[J]． 隧道建設， 2014, 34(7): 679．

XI Hao, LI Xugan, SHI Jian,et al．Technology for deformation control of Sujiachuan large cross-section loess tunnel on Baoji-Lanzhou Railway constructed by top heading and two-bench method[J]． Tunnel Construction, 2014, 34(7): 679．

[14] 胡永占． 隴西地區黃土陷穴成因分析及形成機理[J]． 鐵道工程學報， 2013(3): 1．

HU Yongzhan．Analysis of cause and formation mechanisms for loess sinking hole in Longxi region[J]． Journal of Railway Engineering Society, 2013(3): 1．

[15] 王明年， 郭軍， 羅祿森， 等． 高速鐵路大斷面黃土隧道深淺埋分界深度研究[J]． 巖土力學， 2010, 31(4): 1157．

WANG Mingnian, GUO Jun, LUO Lusen, et al．Study of critical buried depth of large cross-section loess tunnel for high speed railway[J]．Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(4): 1157．